JP2008147298A - Semiconductor memory device and manufacturing method therefor - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、半導体記憶装置およびその製造方法に関し、特に、スタックゲート型の構造を有する電界効果型トランジスタとその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor memory device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a field effect transistor having a stack gate type structure and a manufacturing method thereof.
電気的にデータの書き換えが可能な不揮発性半導体記憶装置のうち、一括消去が可能なものとしていわゆるフラッシュメモリが知られている。フラッシュメモリは携帯性、耐衝撃性に優れ、電気的に一括消去が可能なことから、近年、携帯型パーソナルコンピュータやデジタルスチルカメラなどの小型携帯情報機器の記憶装置として急速に需要が拡大している。 A so-called flash memory is known as a device capable of batch erasing among non-volatile semiconductor memory devices capable of electrically rewriting data. Since flash memory has excellent portability and shock resistance and can be erased electrically, the demand for flash memory has rapidly expanded in recent years as a storage device for small portable information devices such as portable personal computers and digital still cameras. Yes.
このフラッシュメモリは、複数のフラッシュメモリセルがマトリクス状に配列して形成されるメモリセル部と、フラッシュメモリセルの動作制御を行なう周辺回路が形成される周辺回路部とを有する。メモリセル部における各フラッシュメモリセルとして、スタックゲート型の電界効果型トランジスタが形成されるものがある。このスタックゲート型の電界効果型トランジスタは、半導体基板中のウェル表面の所定の位置にトンネル絶縁膜、フローティングゲート、絶縁膜、コントロールゲートが順に積層されてなるゲート構造と、このゲート構造の線幅方向両側のウェル表面に形成されるソース/ドレイン領域と、を有する。ここで、ゲート構造中の絶縁膜は、下から順に第1酸化膜と、窒化膜と、第2酸化膜との積層構造を有するONO(Oxide-Nitride-Oxide)膜が用いられるのが一般的である。一方の周辺回路部には、半導体基板中のウェル表面の所定の位置にゲート絶縁膜、ゲート電極が順に積層されてなるゲート構造と、このゲート構造の線幅方向両側のウェル表面に形成されるソース/ドレイン領域と、を有する電界効果型のトランジスタが形成される。 This flash memory has a memory cell portion in which a plurality of flash memory cells are arranged in a matrix and a peripheral circuit portion in which a peripheral circuit for controlling the operation of the flash memory cells is formed. As each flash memory cell in the memory cell portion, there is one in which a stack gate type field effect transistor is formed. This stacked gate type field effect transistor has a gate structure in which a tunnel insulating film, a floating gate, an insulating film, and a control gate are stacked in order on a well surface in a semiconductor substrate, and the line width of the gate structure. Source / drain regions formed on well surfaces on both sides in the direction. Here, as the insulating film in the gate structure, an ONO (Oxide-Nitride-Oxide) film having a laminated structure of a first oxide film, a nitride film, and a second oxide film in order from the bottom is generally used. It is. In one peripheral circuit portion, a gate structure in which a gate insulating film and a gate electrode are sequentially stacked at a predetermined position on the well surface in the semiconductor substrate, and a well structure on both sides of the gate structure in the line width direction are formed. A field effect transistor having source / drain regions is formed.
このようなフラッシュメモリの製造において、従来では、メモリセル部のコントロールゲートと周辺回路部のゲート電極(以下、周辺ゲートともいう)とを同時にエッチングすることで、コントロールゲートと周辺ゲートとをパターニングする方法が採用されていた。 In the manufacture of such a flash memory, conventionally, the control gate and the peripheral gate are patterned by simultaneously etching the control gate of the memory cell portion and the gate electrode (hereinafter also referred to as the peripheral gate) of the peripheral circuit portion. The method was adopted.
ところで、近年の半導体記憶装置の微細化の進行に伴って、周辺回路部のトランジスタ性能(電流駆動能力)を高めるために、周辺ゲート絶縁膜は薄膜化される傾向にある。また、メモリセル部のフラッシュメモリセルに関しても、カップリング比を向上させるために、コントロールゲートとフローティングゲートとの間に形成される絶縁膜であるONO膜の膜厚を薄くできないので、フローティングゲートの厚さを厚くする必要がある。 By the way, with the recent progress of miniaturization of semiconductor memory devices, the peripheral gate insulating film tends to be thinned in order to improve the transistor performance (current drive capability) of the peripheral circuit portion. Also, with respect to the flash memory cell in the memory cell portion, the ONO film, which is an insulating film formed between the control gate and the floating gate, cannot be thinned in order to improve the coupling ratio. It is necessary to increase the thickness.
このような状況において、メモリセル部のフラッシュメモリセルのコントロールゲートと周辺回路部の周辺ゲートとを同時にエッチングしようとすると、周辺回路部の周辺ゲート絶縁膜上でポリシリコンのエッチングを止めると同時に、メモリセル部のコントロールゲートの深い場所(フローティングゲートとフローティングゲートとの間)に十分なエッチング量を与えるという両立が困難になるという問題点があった。すなわち、周辺ゲート絶縁膜の突き抜けの抑制と、コントロールゲートのエッチング残の抑制の両立が困難になる。そのため、従来では、周辺回路部の周辺ゲートとメモリセル部のフラッシュメモリセルのコントロールゲートとを別々にエッチングしていた。 In such a situation, if the control gate of the flash memory cell of the memory cell portion and the peripheral gate of the peripheral circuit portion are to be etched simultaneously, the etching of the polysilicon on the peripheral gate insulating film of the peripheral circuit portion is stopped simultaneously. There is a problem in that it is difficult to achieve a sufficient etching amount at a deep location of the control gate in the memory cell portion (between the floating gate and the floating gate). That is, it is difficult to suppress both penetration of the peripheral gate insulating film and control gate etching residue. Therefore, conventionally, the peripheral gate of the peripheral circuit portion and the control gate of the flash memory cell of the memory cell portion are separately etched.
図10−1〜図16−5は、半導体記憶装置としての一般的なフラッシュメモリの製造方法の従来例を示す図である。図10−1〜図10−5は、メモリセル部の製造方法の従来例を示す上面図であり、図11−1〜図11−5は、それぞれ図10−1〜図10−5に示されるメモリセル部におけるA−A断面図であり、図12−1〜図12−5は、それぞれ図10−1〜図10−5に示されるメモリセル部におけるB−B断面図であり、図13−1〜図13−5は、それぞれ図10−1〜図10−5に示されるメモリセル部におけるC−C断面図であり、図14−1〜図14−5は、それぞれ図10−1〜図10−5に示されるメモリセル部におけるD−D断面図であり、図15−1〜図15−5は、周辺回路部の製造方法の従来例を示す上面図であり、図16−1〜図16−5は、それぞれ図15−1〜図15−5に示される周辺回路部におけるE−E断面図である。 10-1 to 16-5 are diagrams showing a conventional example of a method for manufacturing a general flash memory as a semiconductor memory device. 10-1 to 10-5 are top views showing a conventional example of a method for manufacturing a memory cell portion, and FIGS. 11-1 to 11-5 are shown in FIGS. 10-1 to 10-5, respectively. FIGS. 12-1 to 12-5 are cross-sectional views taken along line BB in the memory cell portion shown in FIGS. 10-1 to 10-5, respectively. 13-1 to 13-5 are CC cross-sectional views in the memory cell portion shown in FIGS. 10-1 to 10-5, respectively. FIGS. 14-1 to 14-5 are FIGS. 1 to 10-5 are DD cross-sectional views in the memory cell portion, and FIGS. 15-1 to 15-5 are top views showing a conventional example of a method for manufacturing a peripheral circuit portion. -1 to 16-5 are EE breaks in the peripheral circuit portions shown in FIGS. 15-1 to 15-5, respectively. It is a diagram.
まず、公知の方法によって、素子分離絶縁膜2が形成されたシリコンなどの半導体基板1上のメモリセル形成領域にはフラッシュメモリが形成され、周辺回路形成領域には周辺回路が形成される。メモリセル形成領域では、半導体基板1上にトンネル絶縁膜TIとフローティングゲートFGとなるたとえばポリシリコン膜13を堆積させ、このポリシリコン膜13を素子分離絶縁膜2で分離される隣接する領域同士で接触しないように所定の形状にパターニングする。その上に、ONO膜などの絶縁膜INと、コントロールゲートCGとなるたとえばポリシリコン膜14を形成する。そして、コントロールゲートCGを形成する位置にハードマスクパターン51を形成する(図10−1、図11−1、図12−1、図13−1図14−1)。また、周辺回路形成領域では、図16−1に示されるように、半導体基板1上にゲート絶縁膜GIとポリシリコン膜14を順に形成し、周辺ゲートを形成する位置にハードマスクパターン51を形成する(図15−1、図16−1)。ここで、ポリシリコン膜14とハードマスクパターン51は、メモリセル形成領域と周辺回路領域とで同時に形成される。
First, a flash memory is formed in a memory cell formation region on a
ついで、ハードマスクパターン51が形成された半導体基板1上の全面にレジスト53を塗布し、周辺回路形成領域のみが露出するようにレジスト53をエッチングする(図10−2、図11−2、図12−2、図13−2、図14−2)。つまり、メモリセル形成領域は、レジスト53によって被覆された状態となる。この状態で、周辺回路形成領域のハードマスクパターン51をマスクとして、ゲート絶縁膜GIが露出するまで、ポリシリコン膜14をエッチングする(図15−2、図16−2)。これにより、周辺回路形成領域にはゲート電極GEがパターニングされる。
Next, a
メモリセル形成領域のレジスト53を除去した後、再びハードマスクパターン51が形成された半導体基板1上の全面にレジスト54を塗布し、メモリセル形成領域のみが露出するようにレジスト54をエッチングする(図15−3、図16−3)。つまり、周辺回路形成領域は、レジスト54によって被覆された状態となる。この状態で、メモリセル形成領域のハードマスクパターン51をマスクとして、絶縁膜INが露出するまで、ポリシリコン膜14をエッチングする(図10−3、図11−3、図12−3、図13−3、図14−3)。これによって、メモリセル形成領域にコントロールゲートCGが形成される。
After removing the
続けて、メモリセル形成領域における絶縁膜INのエッチングを行う(図10−4、図11−4、図12−4、図13−4、図14−4、図15−4、図16−4)。このとき、絶縁膜INはエッチングされるが、ポリシリコン膜13はエッチングされない条件で、エッチングが行われる。そのため、素子分離絶縁膜2上に形成された絶縁膜INも除去される。さらに続けて、メモリセル形成領域のフラッシュメモリセルが形成されない位置におけるポリシリコン膜13をエッチングする(図10−5、図11−5、図12−5、図13−5、図14−5、図15−5、図16−5)。これによって、メモリセル形成領域にフローティングゲートFGが形成される。その後、周辺回路形成領域のレジスト54を除去することによって、フラッシュメモリセルのゲート加工処理が終了する。そして、拡散層やサイドウォールの形成を従来公知の方法によって行うことによって、フラッシュメモリが製造される。
Subsequently, the insulating film IN is etched in the memory cell formation region (FIGS. 10-4, 11-4, 12-4, 13-4, 14-4, 15-4, and 16-4). ). At this time, the etching is performed under the condition that the insulating film IN is etched but the
半導体記憶装置の微細化に伴って、スタックゲート型フラッシュメモリでは、メモリセル部のコントロールゲートCGと周辺回路部の周辺ゲートとの同時エッチングが困難になり、上述した図10−1〜図16−5に示したように、フォトリソグラフィ工程を別々に分けてエッチングせざるを得ない。その結果、フォトリソグラフィ工程と、レジスト除去工程が増えるので、プロセスコストが上昇すると同時に、異物増加の要因にもなり、プロセス歩留まりが低下するという問題点があった。 With the miniaturization of the semiconductor memory device, in the stacked gate flash memory, simultaneous etching of the control gate CG of the memory cell portion and the peripheral gate of the peripheral circuit portion becomes difficult, and the above-described FIGS. As shown in FIG. 5, the photolithography process must be divided and etched separately. As a result, since the photolithography process and the resist removal process are increased, there is a problem that the process cost is increased, and at the same time, the foreign matter is increased and the process yield is decreased.
また、メモリセル部の絶縁膜INエッチング時には、図11−4、図12−4、図13−4、図14−4に示されるように、フラッシュメモリセルが形成されない位置におけるポリシリコン膜13とポリシリコン膜13との間の素子分離絶縁膜2もエッチングされてしまっていた。この素子分離絶縁膜2のエッチング量が多くなると、後工程のソース/ドレイン領域(拡散層)を形成するためのイオン注入工程において、この薄くなった素子分離絶縁膜2を注入種が突き抜ける可能性が高まり、素子分離絶縁膜2による分離間耐圧が低下する。その結果、ペアビット不良またはペアビット線不良などが発生し、フラッシュメモリの歩留まりを下げる要因となるという問題点もあった。
When the insulating film IN is etched in the memory cell portion, as shown in FIGS. 11-4, 12-4, 13-4, and 14-4, the
この発明は、上記に鑑みてなされたもので、微細化が進行した、スタックゲート型の電界効果型トランジスタで構成されるメモリセル部と、メモリセル部の動作制御を行う周辺回路部とを有する半導体記憶装置において、メモリセル部のコントロールゲートと周辺回路部の周辺ゲートとの同時エッチングを実現するとともに、コントロールゲートとフローティングゲートとの間に形成される絶縁膜のエッチング時の素子分離絶縁膜のエッチングも抑制することができる半導体記憶装置とその製造方法を得ることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and has a memory cell portion formed of a stack gate type field effect transistor, which has been miniaturized, and a peripheral circuit portion that controls the operation of the memory cell portion. In a semiconductor memory device, simultaneous etching of a control gate of a memory cell portion and a peripheral gate of a peripheral circuit portion is realized, and an element isolation insulating film at the time of etching an insulating film formed between the control gate and the floating gate is realized. It is an object of the present invention to obtain a semiconductor memory device and a manufacturing method thereof that can suppress etching.
上記目的を達成するため、この発明の一実施の形態による半導体記憶装置の製造方法によれば、まず、素子分離絶縁膜が形成された半導体基板のメモリセル形成領域上に、トンネル絶縁膜、素子分離絶縁膜の延在方向に沿って該素子分離絶縁膜を挟むようにパターニングされた第1のポリシリコン膜、および絶縁膜を形成し、また、半導体基板のメモリセル形成領域に隣接する周辺回路形成領域上にゲート絶縁膜を形成する。そして、メモリセル形成領域と周辺回路形成領域上に第2のポリシリコン膜を形成する。ついで、メモリセル形成領域と周辺回路形成領域の第2のポリシリコン膜上に形成した所定の形状のマスクを用いて、周辺回路形成領域のゲート絶縁膜が露出するまで、メモリセル形成領域と周辺回路形成領域の第2のポリシリコン膜をエッチングする。ついで、周辺回路形成領域をレジストで被覆し、メモリセル形成領域上で表面に露出した絶縁膜をエッチングした後、メモリセル形成領域上で表面に露出した第1と第2のポリシリコン膜をエッチングすることで、フローティングゲートとコントロールゲートとを形成する。 In order to achieve the above object, according to a method of manufacturing a semiconductor memory device according to an embodiment of the present invention, a tunnel insulating film and an element are first formed on a memory cell formation region of a semiconductor substrate on which an element isolation insulating film is formed. A first polysilicon film patterned so as to sandwich the element isolation insulating film along the extending direction of the isolation insulating film, and an insulating film, and a peripheral circuit adjacent to the memory cell formation region of the semiconductor substrate A gate insulating film is formed over the formation region. Then, a second polysilicon film is formed on the memory cell formation region and the peripheral circuit formation region. Next, using the mask of a predetermined shape formed on the second polysilicon film in the memory cell formation region and the peripheral circuit formation region, the memory cell formation region and the peripheral region are exposed until the gate insulating film in the peripheral circuit formation region is exposed. The second polysilicon film in the circuit formation region is etched. Next, the peripheral circuit formation region is covered with a resist, the insulating film exposed on the surface is etched on the memory cell formation region, and then the first and second polysilicon films exposed on the surface are etched on the memory cell formation region. Thus, a floating gate and a control gate are formed.
この発明の一実施の形態によれば、この周辺回路形成領域でゲート電極を形成するためのエッチング条件を、ゲート絶縁膜が突き抜けないような条件に設定することができる。また、周辺回路形成領域のゲート電極のエッチングと、メモリセル形成領域のコントロールゲートのエッチングを同じ工程で行うことができるので、フォトリソグラフィ工程を従来の製造方法のように追加することがなく、プロセスの歩留まりが向上するという効果を有する。さらに、フローティングゲートとなる第1のポリシリコン膜の間に残した第2のポリシリコン膜が絶縁膜のエッチング時にマスクとして機能するので、隣接するフローティングゲート間の下層にある素子分離絶縁膜のエッチングを防ぐことができるという効果も有する。その結果、後工程におけるメモリセル形成領域のイオン注入工程において、不純物原子が素子分離絶縁膜を突き抜け、素子分離絶縁膜の分離間耐圧の低下を抑制することができる。 According to one embodiment of the present invention, the etching condition for forming the gate electrode in the peripheral circuit formation region can be set to a condition that the gate insulating film does not penetrate. In addition, since the etching of the gate electrode in the peripheral circuit formation region and the control gate in the memory cell formation region can be performed in the same process, a photolithography process is not added as in the conventional manufacturing method. The yield is improved. Further, since the second polysilicon film left between the first polysilicon films serving as floating gates functions as a mask during etching of the insulating film, etching of the element isolation insulating film under the adjacent floating gates is performed. It has the effect that can be prevented. As a result, in the ion implantation process of the memory cell formation region in a later process, impurity atoms can penetrate the element isolation insulating film, and a reduction in breakdown voltage between the isolation of the element isolation insulating film can be suppressed.
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体記憶装置およびその製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、以下の実施の形態で用いられる半導体記憶装置の断面図は模式的なものであり、層の厚みと幅との関係や各層の厚みの比率などは現実のものとは異なる。 Exemplary embodiments of a semiconductor memory device and a method for manufacturing the same according to the present invention will be explained below in detail with reference to the accompanying drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments. The cross-sectional views of the semiconductor memory device used in the following embodiments are schematic, and the relationship between the thickness and width of the layers, the ratio of the thicknesses of the layers, and the like are different from the actual ones.
以下の説明では、半導体記憶装置として、スタックゲート型の電界効果型トランジスタからなる複数のフラッシュメモリセルがマトリクス状に配列して形成されるメモリセル部と、フラッシュメモリセルの動作制御を行う周辺回路が形成される周辺回路部とを有するフラッシュメモリを例に挙げて説明する。なお、フラッシュメモリには、NOR型やNAND型などの種類が存在するが、メモリセル部にスタックゲート型の電界効果型トランジスタが用いられるものであれば、どのような種類のフラッシュメモリにもこの実施の形態を適用することが可能である。 In the following description, as a semiconductor memory device, a memory cell portion in which a plurality of flash memory cells made up of stacked gate type field effect transistors are arranged in a matrix, and a peripheral circuit that controls the operation of the flash memory cell An example of a flash memory having a peripheral circuit portion in which is formed will be described. There are various types of flash memory, such as NOR type and NAND type, but any type of flash memory can be used as long as a stack gate type field effect transistor is used in the memory cell portion. Embodiments can be applied.
図1−1〜図1−3は、この発明にかかる半導体記憶装置のメモリセル部の構成を模式的に示す図であり、図2−1〜図2−2は、この発明にかかる半導体記憶装置の周辺回路部の構成を模式的に示す図である。図1−1は、半導体記憶装置のメモリセル部の上面図であり、図1−2は、図1−1のA−A断面図であり、図1−3は、図1−1のC−C断面図である。また、図2−1は、半導体記憶装置の周辺回路部の上面図であり、図2−2は、図2−1のE−E断面図である。より具体的には、図1-2と図2−1は、ワード線に垂直な方向の断面の状態を模式的に示しており、図1−3は、ワード線に平行な方向の断面の状態を模式的に示している。 FIGS. 1-1 to 1-3 are diagrams schematically showing a configuration of a memory cell portion of a semiconductor memory device according to the present invention, and FIGS. 2-1 to 2-2 are semiconductor memory devices according to the present invention. It is a figure which shows typically the structure of the peripheral circuit part of an apparatus. 1-1 is a top view of the memory cell portion of the semiconductor memory device, FIG. 1-2 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 1-1, and FIG. It is -C sectional drawing. FIG. 2A is a top view of the peripheral circuit portion of the semiconductor memory device, and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line E-E in FIG. More specifically, FIGS. 1-2 and 2-1 schematically show the state of the cross section in the direction perpendicular to the word line, and FIG. 1-3 shows the cross section in the direction parallel to the word line. The state is shown schematically.
半導体記憶装置は、シリコンなどの半導体基板1上にメモリセル部10と周辺回路部30とが形成される。図1−1〜図1−3に示されるように、メモリセル部10には、スタックゲート型の電界効果型トランジスタが形成される。つまり、SiO2膜などの素子分離絶縁膜2で素子分離された半導体基板1中のウェル表面の所定の位置には、トンネル絶縁膜TI、フローティングゲートFG、絶縁膜IN、コントロールゲートCGが順に積層されてなるスタックゲート構造と、フローティングゲートFG、絶縁膜INおよびコントロールゲートCGの線幅方向の両側側面に形成されるシリコン窒化膜などからなるサイドウォールSWと、スタックゲート構造の線幅方向両側のウェル表面に形成されるソース/ドレイン領域と、を有するスタックゲート型の電界効果型トランジスタがフラッシュメモリセルとして形成される。ここで、トンネル絶縁膜TIは、SiO2膜などからなり、フローティングゲートFGとコントロールゲートCGとは、ポリシリコン膜などからなる。また、絶縁膜INは、SiO2膜などからなる第1酸化膜と、Si3N4膜などからなる窒化膜と、SiO2膜などからなる第2酸化膜との積層構造を有するONO膜などによって構成される。
In the semiconductor memory device, a
ここで、図1−3に示されるように、ワード線に平行な方向のフラッシュメモリセルの断面において、素子分離絶縁膜2の表面の位置が、絶縁膜INが形成されている位置とそれ以外の位置とでほぼ同じであることを特徴とする。
Here, as shown in FIG. 1C, in the cross section of the flash memory cell in the direction parallel to the word line, the position of the surface of the element
また、図2−1〜図2−2に示されるように、周辺回路部30には、通常の電界効果型トランジスタが形成される。つまり、SiO2膜などの素子分離絶縁膜2で素子分離された半導体基板1中のウェル表面の所定の位置にSiO2膜などからなるゲート絶縁膜GI、ポリシリコンなどからなるゲート電極GEが順に積層されてなる周辺ゲート構造と、ゲート電極GEの線幅方向の両側側面に形成されるシリコン窒化膜などからなるサイドウォールと、この周辺ゲート構造の線幅方向両側のウェル表面に形成されるソース/ドレイン領域と、を有する電界効果型のトランジスタが形成される。
Further, as shown in FIGS. 2-1 to 2-2, a normal field effect transistor is formed in the
なお、このような半導体記憶装置は、周辺回路部30におけるゲート絶縁膜GIの厚さが30Å以下であり、メモリセル部10におけるフローティングゲートFGの膜厚が1,200Å以上である構造を有する半導体記憶装置に対して有効である。
Such a semiconductor memory device has a structure in which the thickness of the gate insulating film GI in the
つぎに、このような構成を有する半導体記憶装置の製造方法について説明する。図3−1〜図9−4は、この発明にかかる半導体記憶装置の製造方法の手順を模式的に示す図である。図3−1〜図3−4は、メモリセル部の製造方法のこの実施の形態による手順を示す上面図であり、図4−1〜図4−4は、それぞれ図3−1〜図3−4に示されるメモリセル部におけるA−A断面図であり、図5−1〜図5−4は、それぞれ図3−1〜図3−4に示されるメモリセル部におけるB−B断面図であり、図6−1〜図6−4は、それぞれ図3−1〜図3−4に示されるメモリセル部におけるC−C断面図であり、図7−1〜図7−4は、それぞれ図3−1〜図3−4に示されるメモリセル部におけるD−D断面図である。また、図8−1〜図8−4は、周辺回路部の製造方法のこの実施の形態による手順を示す上面図であり、図9−1〜図9−4は、それぞれ図8−1〜図8−4に示される周辺回路部におけるE−E断面図である。なお、以下の説明では、メモリセル部10を形成する半導体基板1上の領域をメモリセル形成領域といい、周辺回路部30を形成する半導体基板1上の領域を周辺回路形成領域という。
Next, a method for manufacturing a semiconductor memory device having such a configuration will be described. FIGS. 3A to 9D are diagrams schematically showing the procedure of the method of manufacturing the semiconductor memory device according to the present invention. FIGS. 3-1 to 3-4 are top views showing the procedure according to this embodiment of the method of manufacturing the memory cell portion, and FIGS. 4-1 to 4-4 are FIGS. 3-1 to 3 respectively. 4 is a cross-sectional view taken along line AA in the memory cell portion shown in FIG. 4, and FIGS. 5A to 5D are cross-sectional views taken along line BB in the memory cell portion shown in FIGS. FIGS. 6-1 to 6-4 are cross-sectional views taken along the line CC in the memory cell portion shown in FIGS. 3-1 to 3-4, respectively, and FIGS. FIG. 4 is a DD cross-sectional view of the memory cell portion shown in FIGS. 3-1 to 3-4, respectively. FIGS. 8-1 to 8-4 are top views showing the procedure according to this embodiment of the method for manufacturing the peripheral circuit portion, and FIGS. 9-1 to 9-4 are FIGS. It is EE sectional drawing in the peripheral circuit part shown by FIGS. 8-4. In the following description, a region on the
まず、従来公知の方法によって、メモリセル形成領域では、トンネル絶縁膜TI上に形成されたポリシリコン膜13を所定の形状にパターニングし、その上に絶縁膜INとコントロールゲートCGとなるポリシリコン膜14を形成する。さらに、ポリシリコン膜14上には所定の(ワード線の)形状にパターニングされたハードマスクパターン51が形成される(図3−1、図4−1、図5−1、図6−1、図7−1)。また、周辺回路形成領域では、ゲート絶縁膜GI上にポリシリコン膜14が形成され、さらにその上に所定の(ワード線の)形状にパターニングされたハードマスクパターン51が形成される(図8−1、図9−1)。なお、ポリシリコン膜14とハードマスクパターン51とは、メモリセル形成領域と周辺回路形成領域とで同時に形成される。
First, in a memory cell formation region, a
具体的には、以下のような手順で、図3−1、図4−1、図5−1、図6−1、図7−1、図8−1、図9−1に示される状態を得る。最初に、半導体基板1上の所定の領域にSTI(Shallow Trench Isolation)法などの方法で素子分離絶縁膜2を形成し、イオン注入によって素子分離絶縁膜2で区画された領域に所定の導電型のウェルを形成する。ついで、周辺回路形成領域をレジストでマスクして、たとえば熱酸化法によってメモリセル形成領域のウェル表面にトンネル絶縁膜TIを形成する。トンネル絶縁膜TIと素子分離絶縁膜2上にポリシリコン膜13を堆積し、素子分離絶縁膜2を介して隣接するウェル間でポリシリコン膜13同士が接触しないようにフォトリソグラフィ技術とエッチング技術によってパターニングを行う。その後、ポリシリコン膜13をパターニングした半導体基板1上にONO膜からなる絶縁膜INを形成する。
Specifically, the states shown in FIG. 3-1, FIG. 4-1, FIG. 5-1, FIG. 6-1, FIG. 7-1, FIG. Get. First, an element
周辺回路形成領域上のマスクを除去した後、メモリセル形成領域をレジストでマスクして、たとえば熱酸化法によって周辺回路形成領域のウェル表面にゲート絶縁膜GIを形成する。メモリセル形成領域のマスクを除去した後、メモリセル形成領域の絶縁膜IN上と周辺回路形成領域のゲート絶縁膜GI上と素子分離絶縁膜2上にポリシリコン膜14を形成する。さらに、ポリシリコン膜14上にTEOS(TetraEthyl OrthoSilicate)酸化膜を形成し、フォトリソグラフィ技術とドライエッチングによってTEOS酸化膜を所定の(ワード線の)形状にパターニングして、ハードマスクパターン51を形成する。これによって、図3−1、図4−1、図5−1、図6−1、図7−1、図8−1、図9−1に示される構造が得られる。
After the mask on the peripheral circuit formation region is removed, the memory cell formation region is masked with a resist, and a gate insulating film GI is formed on the well surface of the peripheral circuit formation region, for example, by thermal oxidation. After removing the mask in the memory cell formation region, a
ついで、ハードマスクパターン51をマスクとして、メモリセル形成領域のポリシリコン膜14と周辺回路形成領域のポリシリコン膜14とをドライエッチングにより同時にエッチングする(図3−2、図4−2、図5−2、図6−2、図7−2、図8−2、図9−2)。このとき、エッチングは、周辺回路形成領域におけるゲート絶縁膜GIが露出するまで行われる。この状態では、メモリセル形成領域の隣接するスタックゲート構造間に挟まれるポリシリコン膜14はハーフエッチングの状態となる(図5−2)。ここで、スタックゲート間に残るハーフエッチング状態のポリシリコン膜14の膜厚は、フローティングゲートFGとなるポリシリコン膜13の厚さよりも薄くなるように、オーバエッチングする。また、このときのエッチングは、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜に比してポリシリコン膜の選択比が大きくなるような条件で行われるため、図4−2や図7−2に示されるように、絶縁膜INはエッチングストッパ膜として機能する。これによって、周辺回路形成領域には、ゲート電極GEが形成される。
Next, using the
その後、半導体基板1上の全面にレジストを塗布し、メモリセル形成領域のみがレジストで被覆されるようにパターニングを行う。そして、所定の導電型の不純物原子を、周辺回路形成領域にイオン注入する。これにより、周辺回路形成領域のゲート電極GEとハードマスクパターン51をマスクとして、ゲート電極GEの線幅方向両側のウェル表面にソース/ドレイン領域12となる拡散層が形成される。
Thereafter, a resist is applied to the entire surface of the
ついで、メモリセル形成領域上のレジストを除去した後、半導体基板1上の全面にレジスト52を塗布し、周辺回路形成領域のみがレジスト52で被覆されるようにパターニングを行う(図8−3、図9−3)。その後、図3−2、図4−2、図5−2、図6−2、図7−2で形成されたコントロールゲートCGとハードマスクパターン51をマスクとして、ドライエッチングにより絶縁膜INをエッチングする(図3−3、図4−3、図5−3、図6−3、図7−3)。このときのエッチングは、ポリシリコン膜に比してシリコン酸化膜やシリコン窒化膜の選択比が大きくなるような条件で行われるため、表面上に絶縁膜IN(ONO膜)が露出した箇所のみエッチングが行われる。つまり、図4−2のスタックゲート構造間に露出した絶縁膜INや図7−2のフラッシュメモリセルが形成されない位置でポリシリコン膜13上に露出した絶縁膜INのみがエッチングされ、図4−3や図7−3のようになる。一方、図5−2のスタックゲート構造間のハーフエッチング状態のポリシリコン膜14が露出した部分や、図7−2のポリシリコン膜13とポリシリコン膜13との間のポリシリコン膜14が露出した部分では、エッチングがほとんど進まず、図5−3や図7−3に示されるようにそのままの状態となる。
Next, after removing the resist on the memory cell formation region, a resist 52 is applied to the entire surface of the
図7−3に示されるように、フラッシュメモリセルが形成されないポリシリコン膜14が除去された位置において、ポリシリコン膜13とポリシリコン膜13との間のポリシリコン膜14は、絶縁膜INのエッチングによって除去されることがないので、そのポリシリコン膜14の下層に存在する素子分離絶縁膜2は除去(エッチング)されない。すなわち、ポリシリコン膜14がマスクの役割を果たす。
As shown in FIG. 7C, the
ついで、周辺回路形成領域上に形成したレジスト52を除去せずに、引き続いてメモリセル形成領域のフラッシュメモリセルが形成されない位置におけるポリシリコン膜13のエッチングを行う(図3−4、図4−4、図5−4、図6−4、図7−4、図8−4、図9−4)。このときのエッチングは、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜に比してポリシリコン膜の選択比が大きくなるような条件で行われるため、表面が露出したポリシリコン膜13,14のみが除去される。これによって、フローティングゲートFGが形成される。また、フローティングゲートFG(ポリシリコン膜13)とフローティングゲートFG(ポリシリコン膜13)との間のポリシリコン膜14の厚さは、エッチングされるべきポリシリコン膜13の厚さに比べて薄いので、ポリシリコン膜13のエッチング時に自己整合的に同時に除去される。
Next, without removing the resist 52 formed on the peripheral circuit formation region, the
具体的には、図4−3に示されるようにスタックゲート構造間で表面が露出しているポリシリコン膜13が、図4−4に示されるようにトンネル絶縁膜TIが露出するまでエッチングされる。また、図5−3に示されるようにスタックゲート構造間で表面が露出しているポリシリコン膜14は、図5−4に示されるように絶縁膜INが露出するまでエッチングされる。さらに、図7−3に示されるように、フラッシュメモリセルが形成されない位置でのポリシリコン膜13,14の表面が露出している部分では、図7−4に示されるように、トンネル絶縁膜TIと素子分離絶縁膜2が露出するまでエッチングされる。これにより、メモリセル形成領域においてスタックゲート構造が形成される。
Specifically, the
その後、従来公知の方法によってメモリセル形成領域のスタックゲート構造の線幅方向両側のウェル表面に所定の導電型の不純物原子をイオン注入して、ソース/ドレイン領域となる拡散層を形成する。また、メモリセル形成領域のスタックゲート構造と周辺回路形成領域の周辺ゲート構造の線幅方向両側にサイドウォールSWを形成する。そして、フラッシュメモリとして機能させるために必要な多層配線処理などを公知の技術によって行い、フラッシュメモリが製造される。なお、図3−4、図4−4、図5−4、図6−4、図7−4、図8−4、図9−4より後の処理は、従来公知の方法によって行われるので、その説明を省略する。 Thereafter, impurity atoms of a predetermined conductivity type are ion-implanted into the well surfaces on both sides in the line width direction of the stack gate structure in the memory cell formation region by a conventionally known method to form a diffusion layer to be a source / drain region. Further, sidewalls SW are formed on both sides in the line width direction of the stack gate structure in the memory cell formation region and the peripheral gate structure in the peripheral circuit formation region. Then, a multi-layer wiring process necessary for functioning as a flash memory is performed by a known technique to manufacture a flash memory. 3-4, FIG. 4-4, FIG. 5-4, FIG. 6-4, FIG. 7-4, FIG. 8-4, and FIG. 9-4 are processed by a conventionally known method. The description is omitted.
この実施の形態によれば、周辺回路形成領域の電界効果型トランジスタのゲート電極を形成するためにポリシリコン膜14をエッチングする際に、同時にメモリセル形成領域におけるコントロールゲートCGとなるポリシリコン膜14もエッチングするようにした。このとき、フローティングゲートFGとなる隣接するポリシリコン膜13間に、ポリシリコン膜13よりも薄くポリシリコン膜14を残すようにエッチングを行うようにした。その結果、この周辺回路形成領域でゲート電極GEを形成するためのエッチング条件を、ゲート絶縁膜GIが突き抜けないような条件に設定することができる。
According to this embodiment, when the
また、従来では、周辺回路形成領域のゲート電極GEのエッチングと、メモリセル形成領域のコントロールゲートCGのエッチングを別々の工程で実施していたが、この実施の形態では、両者を同じ工程で行うことができるので、フォトリソグラフィ工程を従来の製造方法のように追加することがない。その結果、プロセスの歩留まりが向上するという効果を有する。 Conventionally, the etching of the gate electrode GE in the peripheral circuit formation region and the etching of the control gate CG in the memory cell formation region are performed in separate steps, but in this embodiment, both are performed in the same step. Therefore, a photolithography process is not added as in the conventional manufacturing method. As a result, the process yield is improved.
さらに、隣接するフローティングゲートFGとなるポリシリコン膜13の間に残したポリシリコン膜14が絶縁膜INのエッチング時にマスクとして機能するために、フローティングゲートFGとフローティングゲートFGとの間の下層にある素子分離絶縁膜2のエッチングを防ぐことができる。また、フローティングゲートFGを形成する際のポリシリコン膜13のエッチング時は、ポリシリコン膜14の残りの部分の直下の絶縁膜INでエッチングが止まり、フローティングゲートFGとフローティングゲートFGとの間の下層の素子分離絶縁膜2のエッチングを防ぐことができる。その結果、素子分離絶縁膜2が除去されることを防ぐ。これにより、後工程におけるメモリセル形成領域のイオン注入工程において、不純物原子が素子分離絶縁膜2を突き抜け、素子分離絶縁膜2の分離間耐圧の低下を抑制することができる。そして、フラッシュメモリの製造の歩留まりが向上するという効果を有する。
Further, since the
以上のように、この発明にかかる半導体記憶装置の製造方法は、スタックゲート型の電界効果型トランジスタをメモリセル部に有し、通常の電界効果型トランジスタを周辺回路部に有する半導体記憶装置に有用である。 As described above, the method of manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention is useful for a semiconductor memory device having a stack gate type field effect transistor in a memory cell portion and a normal field effect transistor in a peripheral circuit portion. It is.
1 半導体基板
2 素子分離絶縁膜
10 メモリセル部
11 スタックゲート構造
12,32 ソース/ドレイン領域
13,14 ポリシリコン膜
30 周辺回路部
31 ゲート構造
CG コントロールゲート
GE ゲート電極
GI ゲート絶縁膜
FG フローティングゲート
IN 絶縁膜
SW サイドウォール
TI トンネル絶縁膜
DESCRIPTION OF
Claims (6)
素子分離絶縁膜で区画された前記半導体基板上の所定の位置にゲート絶縁膜およびゲート電極の積層体からなる周辺ゲート構造が形成され、この周辺ゲート構造の線幅方向両側の前記半導体基板表面にソース/ドレイン領域が形成された電界効果型トランジスタを含む、前記メモリセル部に隣接して形成される周辺回路部と、
を備え、
前記メモリセル部の前記素子分離絶縁膜の上面は、該素子分離絶縁膜内でほぼ同じ高さを有し、前記素子分離絶縁膜上には、該素子分離絶縁膜を挟んで形成される前記スタックゲート構造の前記絶縁膜が形成されることを特徴とする半導体記憶装置。 A stack gate structure composed of a stack of a tunnel insulating film, a floating gate, an insulating film, and a control gate is formed at a predetermined position on the semiconductor substrate partitioned by the element isolation insulating film. A memory cell portion in which stacked gate field effect transistors having source / drain regions formed on the surface of the semiconductor substrate are arranged as a flash memory cell in a matrix on the semiconductor substrate;
A peripheral gate structure composed of a laminate of a gate insulating film and a gate electrode is formed at a predetermined position on the semiconductor substrate partitioned by an element isolation insulating film, and the peripheral gate structure is formed on the surface of the semiconductor substrate on both sides in the line width direction. A peripheral circuit portion formed adjacent to the memory cell portion, including a field effect transistor in which a source / drain region is formed;
With
The upper surface of the element isolation insulating film of the memory cell portion has substantially the same height in the element isolation insulating film, and is formed on the element isolation insulating film with the element isolation insulating film interposed therebetween. A semiconductor memory device, wherein the insulating film having a stack gate structure is formed.
前記メモリセル形成領域と前記周辺回路形成領域の前記第2のポリシリコン膜上に、所定の形状のマスクを形成する第2の工程と、
前記マスクを用いて、前記周辺回路形成領域の前記ゲート絶縁膜が露出するまで、前記メモリセル形成領域と前記周辺回路形成領域の前記第2のポリシリコン膜をエッチングする第3の工程と、
前記周辺回路形成領域をレジストで被覆する第4の工程と、
前記メモリセル形成領域上で表面に露出した前記絶縁膜をエッチングする第5の工程と、
前記メモリセル形成領域上で表面に露出した前記第1と第2のポリシリコン膜をエッチングして、フローティングゲートとコントロールゲートとを形成する第6の工程と、
を含むことを特徴とする半導体記憶装置の製造方法。 A first polycrystal patterned so as to sandwich the element isolation insulating film along the extending direction of the element isolation insulating film on the memory cell formation region of the semiconductor substrate on which the element isolation insulating film is formed. Forming a silicon film and an insulating film; forming a gate insulating film on a peripheral circuit forming region adjacent to the memory cell forming region of the semiconductor substrate; and further forming a gate insulating film on the memory cell forming region and the peripheral circuit forming region. A first step of forming two polysilicon films;
A second step of forming a mask having a predetermined shape on the second polysilicon film in the memory cell formation region and the peripheral circuit formation region;
Etching the memory cell formation region and the second polysilicon film in the peripheral circuit formation region until the gate insulating film in the peripheral circuit formation region is exposed using the mask;
A fourth step of covering the peripheral circuit formation region with a resist;
A fifth step of etching the insulating film exposed on the surface of the memory cell formation region;
A sixth step of etching the first and second polysilicon films exposed on the surface of the memory cell formation region to form a floating gate and a control gate;
A method for manufacturing a semiconductor memory device, comprising:
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